 汽 車 行 業(yè) 專 業(yè) 知 識 庫 溫馨提醒：歡迎投稿或提供新聞線索，請發(fā)郵箱jack.wang@iaca-china.club IACA 最新課程 前 言 螺栓連接是一種常見的連接方法。但是在進行農(nóng)機裝配的過程中，總會因為各種因素的影響或裝配不當，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生滑絲，斷裂等失效現(xiàn)象。 在螺栓現(xiàn)場裝配的過程中，主要涉及螺栓擰緊的角度、擰緊添加物等因素，這些因素對螺栓失效有怎樣的影響，尚未有確切的結(jié)論。 在研究螺栓的學(xué)科范圍內(nèi)，做的更多的是螺栓的失效應(yīng)力分析。 故本文以生產(chǎn)中常用的 M6 × 20 螺栓聯(lián)接裝配為例，考察螺栓擰緊的角度、油脂和緊固劑的使用和擰緊方式對螺栓裝配的影響。 分別進行單因素和多因素試驗，采用極差分析和方差分析的方法來處理實驗數(shù)據(jù)，以得到有效結(jié)論來為螺栓裝配提供參考。 01 螺栓材料分析 螺栓的材料對螺栓的性能影響很大，因此在試驗之前先測定螺栓的材料性能。 螺栓采取統(tǒng)一批次 的 M6 × 20 螺栓，隨機采樣，測得螺栓的硬度為HRC26，材料為組織較粗大的奧氏體組織，如圖 1 所示。分析其硬度和金相分析結(jié)果，確定該螺栓可以滿足一般機械器具的使用。 圖1 M6 螺栓金相組織 02 螺栓失效試驗與實驗設(shè)備 在實際使用中，不同產(chǎn)品或設(shè)備裝配過程中所依據(jù)的擰緊扭矩標準也各有不同。試驗過程中，因為螺栓的失效有各種形式，無法比較失效時各因素的影響大小，因此本文采用螺栓失效力矩作為考察標準?？紤]到試驗次數(shù)過多，這里采用正交實驗來完成本次的裝配失效研究。 由于實驗室條件的限制，這里采用萬能數(shù)字試驗機搭配試驗夾具來進行實驗。工作原理為通過專用夾具將電子試驗臺的垂直力轉(zhuǎn)化為試驗所需的扭轉(zhuǎn)力，實驗設(shè)備如圖 2 所示 圖2 實驗設(shè)備 03 螺栓連接失效單因素試驗及分析 試驗考慮到的因素分別為：
1）擰緊角度 在螺栓的現(xiàn)場裝配中，操作人員經(jīng)常使用扳手來擰緊螺栓，在此過程中，并不能很好地保持扳手的回轉(zhuǎn)中心與螺栓中心重合，從而影響螺栓的緊固效果與失效力矩，因此，螺栓的擰緊角度是一個必須考慮的因素。 由于試驗夾具的限制，試驗擰緊角度的調(diào)節(jié)是固定的，夾具設(shè)定的可試驗角度有三個，分別是：0°、3°、6°。 2）油脂和緊固劑的使用 在不同的工況要求下，有時需要在螺栓裝配中添加油脂或緊固劑。因此，添加劑的使用也是螺栓失效研究試驗中必須考慮的因素之一。 3）墊片的材質(zhì) 在不同的裝配位置，有時會要求使用不同材料的墊片。因此，墊片的材質(zhì)也是螺栓連接失效應(yīng)當考慮的一個因素。 1）擰緊角度的影響 實驗只考察擰緊角度對失效力矩的影響，設(shè)定試驗條件為采用 3 mm 不銹鋼墊片，不使用添加劑，調(diào)節(jié)螺栓擰緊的角度為 0°、3°、6°。螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。 表 1 列出了不同擰緊角度下螺栓的失效力矩。根據(jù)表格的實驗數(shù)據(jù)，若僅考慮擰緊角度的影響，當擰緊角度為 3°時，實驗指標最小，即螺栓最易失效；當擰緊角度為 0°時，實驗指標最大，即螺栓最不易失效。 表1 擰緊角度單因素試驗結(jié)果 2）添加物的影響 只考慮油脂和緊固劑的影響，設(shè)定的試驗條件為 3 mm 不銹鋼墊片，擰緊角度為0°，分別添加油脂和緊固劑進行實驗。螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。 表 2 列出了使用不同添加劑時螺栓的失效力矩。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，僅考慮添加劑對實驗的影響時，使用油脂的實驗指標最小，即螺栓最易失效；不使用添加物時，實驗指標最大，即螺栓最不易失效。 表2 添加劑單因素試驗結(jié)果 3）墊片材質(zhì)的影響 只考慮墊片材質(zhì)的影響，設(shè)定的實驗條件為不使用添加劑，分別采用不銹鋼、PVC、鋁合金三種材質(zhì)的墊片進行螺栓失效試驗，墊片厚度均為 3 mm。 螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表 3 列出了使用不同材質(zhì)墊片時螺栓的失效力矩試驗結(jié)果。 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，僅考慮墊片材質(zhì)的影響，使用不銹鋼墊片時，實驗指標最大，即螺栓最不易失效；而使用鋁合金墊片時，實驗指標最小，即螺栓最易失效。 表 3 墊片材質(zhì)單因素試驗結(jié)果 04 螺栓多因素試驗及試驗分析 單因素試驗的目的是考察某個因素對整體試驗的影響，主要的作用是依據(jù)試驗指標縮小所需考察的實驗水平區(qū)間。 根據(jù)單因素分析的結(jié)果，進行多因素試驗的試驗安排，篩選出三個因素：墊片材質(zhì)、擰緊方式和擰緊角度。 根據(jù)試驗指標要求的不同，依次選擇三個因素的試驗水平：墊片材質(zhì)（鋁合金、PVC）， 擰緊方式（固定螺母、固定螺栓），擰緊角度（3°、6°）， 如表 4 所示。 根據(jù)對試驗因素和水平的分析，通過對 自由度的計算，選擇 L8正交實驗表進行試驗，如表 5 所示。 表4 最小失效力矩因素水平表 表5 M6×20 螺栓正交實驗表 以上正交實驗結(jié)果利用 SPSS 軟件進行方差分析，確定影響失效力矩的主次因素順序及具有顯著性的因素。給定顯著性水平 P = 0.05，極顯著水平P = 0.01，結(jié)果如表 6 所示。根據(jù)表的數(shù)據(jù)繪出螺栓失效力矩的趨勢圖，如圖 3 所示。 表6 M6 螺栓方差分析 圖3 M6 螺栓失效力矩變化趨勢 1）因素顯著分析 根據(jù)方差分析表，M6 螺栓擰緊失效過程中各因素的影響情況：
2）因素主次分析 綜合比較各因素的 F 值和 P 值，影響失效力矩大小的主次因素為：主 B>A×B>C>A>B×C 次，即擰緊角度>墊片材質(zhì)和擰緊角度的交互作用>擰緊方式>墊片材質(zhì)>擰緊角度和擰緊方式的交互作用。 由此可以看出，擰緊角度在各影響因素中居于絕對重要的 位置，而墊片材質(zhì)和擰緊方式對螺栓失效的影響均很小。為了得到最易失效的螺栓裝配工況組合，需要進一步進行極差分析，如表 7 所示。
表 7 最易失效螺栓裝配實驗表 表 7 所得的選優(yōu)水平之中，有 3 個是三個因素之間的交互作用，并沒有給出較為清楚的結(jié)論。針對這樣的情況，對這三個交互作用進行單獨的分析，結(jié)果如表 8、表 9、表 10 所示。
表 8 墊片材質(zhì)與擰緊角度交互作用結(jié)果
表9 墊片材質(zhì)與擰緊方式交互作用結(jié)果
表10 擰緊角度與擰緊方式交互作用 表 8 為墊片材質(zhì)與擰緊角度之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，墊片材質(zhì)為鋁合金，擰緊角度為3°時，即擰緊條件為 A1B1 時，螺栓的失效力矩最小。 表 9 為墊片材質(zhì)與擰緊方式之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，墊片材質(zhì)為鋁合金，擰緊方式為固定螺母，即擰緊條件為 A1C1 時，螺栓失效力矩最小。 表 10 為擰緊角度與擰緊方式之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，擰緊角度為3°，擰緊方式為固定螺栓，即擰緊條件為 B1C2 時，螺栓失效力矩最小。 綜合分析表 7 至表 10 的數(shù)據(jù)，表 10 的結(jié)論與表 7 的結(jié)論相互沖突，考慮到擰緊方式這一因素對試驗結(jié)果的影響很小，因此得出最易失效的組合為 A1B1C1。 即在進行 M6×20 螺栓裝配時，擰緊角度為3°，墊片材質(zhì)為鋁合金，通過固定螺母來擰緊的方式是最易失效的。因此，在實際的裝配過程中，要避免出現(xiàn)這一種裝配組合。 05 總 結(jié) M6×20 是最常用的螺栓之一，其緊固失效試驗對 于指導(dǎo)生產(chǎn)裝配作業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。 本文進行試驗所得結(jié)論：角度是螺栓擰緊中最重要的因素，裝配時應(yīng)避免出現(xiàn)擰緊角度為 3°，墊片材質(zhì)為鋁合金且固定螺母的擰緊方式，可以在一定程度上減少這種擰緊失效現(xiàn)象的發(fā)生，提高裝配的效率和可靠度。 來源：GAF螺絲君 |
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